L’utilizzo delle membrane rappresenta oggi una delle soluzioni più promettenti per la separazione della CO₂, soprattutto nei settori della depurazione del gas naturale e del biogas (separazione della CO₂ dal metano) e nei settori della generazione di energia elettrica. Di particolare interesse sono le applicazioni di pre-combustione (separazione CO₂/H₂ dal syngas) e ossicombustione (separazione O₂/N₂ per la purificazione dell’ossigeno), mentre le applicazioni di post-combustione (separazione CO₂/N₂ a bassa pressione) risultano oggi più problematiche in quanto operanti a bassa pressione. L’attività di ricerca di Sotacarbo sulle membrane ha portato alla realizzazione, presso i laboratori del Centro Ricerche, di un impianto da banco, detto permeometro, per lo sviluppo e la caratterizzazione sperimentale delle membrane stesse.

Le membrane sono alloggiate in una cella. La frazione della corrente che riesce ad attraversare la cella viene chiamata permeato, mentre quella che non attraversa la membrana è detta retentato. Il prodotto desiderato può trovarsi sia nel permeato sia nel retentato, a seconda delle condizioni di lavoro. Secondo il risultato voluto, è necessario definire con molta cura la configurazione del processo e le condizioni operative del sistema.

L’obiettivo dell’attività è quello sviluppare e caratterizzare diversi tipi di membrane polimeriche per separare la CO₂ dall’idrogeno (applicazioni di pre-combustione) e per la purificazione del biogas. Nella cattura in pre-combustione (applicata negli impianti di gassificazione integrati a sistemi a ciclo combinato, IGCC), la CO₂ viene separata dal syngas prima che avvenga la combustione: dopo la gassificazione e la conversione catalitica del monossido di carbonio in anidride carbonica (la cosiddetta water-gas shift conversion), il syngas è composto principalmente da CO₂ e H₂.

L’utilizzo di membrane selettive per separare la CO₂ dall’idrogeno prima dell’utilizzo del syngas come combustibile nell’impianto a ciclo combinato è promettente, grazie a proprietà specifiche. La separazione di gas tramite membrane presenta ovviamente anche delle “controindicazioni” legate alla difficoltà di ottenere un prodotto a elevata purezza, alla necessità di superfici di lavoro consistenti e non ultimo alla necessità di raggiungere un compromesso tra selettività e permeabilità. Una combinazione ottimale si può ottenere nelle membrane a matrice mista (MMM), che combinano materiali polimerici con composti inorganici da proprietà di trasporto superiori.

L’attività di ricerca, sviluppata insieme al Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali dell’Università di Bologna, ha permesso di verificare la fattibilità di membrane cosiddette “a matrice mista” (mixed matrix membranes, MMM) a base di poli-(2,6-dimetil-1,4-fenilene ossido (PPO) per separare H₂ e CO₂ in applicazione alla purificazione del syngas ottenuto dalla gassificazione del carbone. Per eseguire contemporaneamente la purificazione dell’H₂ e la cattura dell’anidride carbonica, la ricerca mira infatti a migliorare il comportamento selettivo dell’H₂ incorporando diversi tipi di riempitivi come le zeoliti e le strutture metallorganiche (MOF). La caratterizzazione di queste membrane con selettività e diffusività specifica è stata studiata utilizzando il permeometro disponibile presso i laboratori Sotacarbo.